KDP晶体超精密加工亚表面损伤形成机理及低/无亚表面损伤加工技术基础研究

Subsurface damage, such as dislocations, phase changes and nano-cracking, has been recognized as one of the key factors influencing the laser damage threshold of a KDP crystal processed by ultra-precision machining. Unfortunately, the mechanisms of the types and dynamics of such subsurface damage are unclear, which has hindered the further development of the large-aperture high-power laser systems. This research project aims to uncover what is hidden to date, by a systematic exploration of the damage generation mechanisms in KDP crystals under stresses similar to the real surfacing conditions. The investigation will use a coupled technique of nano-indentation and in-situ TEM along with multi-scale modeling to determine the critical stress thresholds required for initiating such subsurface damages, and to reveal the damage dynamics and their relationships with surfacing conditions. The theoretical fundamentals towards a KDP crystal damage-free machining technology will then be established. Hence, this project will break through what has become an impasse in the field. The success of the project will lay the solid foundation for solving the core problems associated with the performance of the large-aperture high-power laser systems in particular, and for removing a major barrier in advancing the national science and technology of China in general.

本项目针对KDP晶体激光损伤阈值的关键因素之一—— 超精密加工导致的亚表面损伤机理—— 从根本上展开基础性研究。通过纳米压痕TEM原位检测技术、纳米刻划实验对KDP晶体亚表面损伤（如位错、高压相变（HPP）、纳米级微裂纹等）的微结构进行深入分析，以揭示KDP晶体不同亚表面损伤的形成机理；同时利用量子力学、分子动力学对损伤的动力学机制进行理论研究，从而掌握KDP晶体在超精密加工中亚表面损伤初生和演变的本质规律；在此基础上，结合连续介质力学以及跨尺度理论，建立起KDP晶体超精密加工本构关系模型，揭示KDP晶体中各种亚表面损伤的临界应力准则，为开发KDP晶体低/无亚表面损伤加工技术以及亚表面损伤主动控制技术提供坚实的理论基础。本项目的研究成果对于解决国家重大专项工程关键元器件的瓶颈问题—— 大口径KDP晶体超精密加工所面临的难题，提高KDP晶体表面加工质量及其元器件的使用性能等具有十分重要的意义。

项目针对影响KDP晶体激光损伤阈值的关键因素之一——超精密加工亚表面损伤形成机理展开研究。通过研究KDP晶体在纳米压痕和划痕作用下的微纳力学行为和微观变形过程，得到了KDP晶体在外部应力作用下的微观变形机理，结果表明：超精密加工形成的亚表面损伤会对KDP晶体的微纳力学行为产生影响，外部应力场的分布形式会对KDP晶体的微观变形行为产生重要影响。位错的形成与运动过程在KDP晶体材料的微观变形过程中起着十分关键的作用，材料的去除过程与微观变形机理主要是位错沿不同滑移体系运动的结果。发现了KDP晶体压痕形貌在卸载后随时间变化的新现象，初步研究结果表明，该变化过程持续时间较长（持续周期在一个月以上），并且该变形过程与KDP晶体材料的初始应力状态，放置环境状态以及材料的各向异性特性密切相关。利用分子动力学以及密度泛函理论对KDP晶体材料加工损伤的动力学机制研究表明，KDP晶体原子结构中氢键的动力学行为与KDP微观变形行为密切相关，并通过仿真计算揭示了KDP晶体发生可逆与不可逆变形的微观动力学机制，得到了KDP晶体超精密加工损伤形成的本质规律。根据位错运动模型和能量守恒原理，建立了纳米压痕和划痕过程中的脆塑转变模型，得到了纳米压痕和划痕过程中KDP晶体发生脆塑转变时的临界应力条件，并用实验验证了相关理论模型的正确性。在此基础上，考虑静水压力对KDP晶体塑性变形过程的影响，结合屈服应力准则以及断裂力学理论，建立了KDP晶体的本构关系模型，并用仿真及其实验验证了该模型的正确性。结合加工过程进一步阐明了KDP晶体超精密加工亚表面损伤的形成机理。本研究成果对于解决国家重大专项工程关键元器件加工的瓶颈问题以及进一步提高KDP晶体表面加工质量及其元器件的使用性能提供了坚实的理论基础。